(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料から改質ガスを製造する改質器と、
該改質器で得られる改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、
該固体酸化物燃料電池から排出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼領域と、
該改質器、固体酸化物形燃料電池および燃焼領域を収容する筐体と、を有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池であって、
該改質器を経ずに該燃焼領域に燃焼用燃料を供給可能な燃焼用燃料供給手段を有し、
該改質器が該燃焼領域で発生する燃焼熱を受熱可能な位置に配され、かつ、
前記燃焼用燃料に水または水蒸気を予混合するための水予混合手段を有する
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記燃焼用燃料に酸素含有ガスを予混合するための酸素含有ガス予混合手段を有する請求項１に記載の間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記燃焼用燃料供給手段が、前記炭化水素系燃料とは異なる種類の炭化水素系燃料を燃焼用燃料として前記燃焼領域に供給可能である請求項１または２に記載の間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
炭化水素系燃料から改質ガスを製造する改質器と、
該改質器で得られる改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、
該固体酸化物燃料電池から排出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼領域と、
該改質器、固体酸化物形燃料電池および燃焼領域を収容する筐体と、を有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の運転方法であって、
該間接内部改質型固体酸化物形燃料電池が、該燃焼領域に改質器を経ずに燃焼用燃料を供給可能な燃焼用燃料供給手段を有し、かつ、前記燃焼用燃料に水または水蒸気を予混合するための水予混合手段を有し、
該改質器が該燃焼領域で発生する燃焼熱を受熱可能な位置に配されており、
該燃焼用燃料供給手段によって燃焼領域に改質器を経ずに燃焼用燃料を供給し、該燃焼領域において該燃焼用燃料を燃焼させる燃焼用燃料燃焼工程
を有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の運転方法。
【請求項５】
前記間接内部改質型固体酸化物形燃料電池を起動する際の運転方法であって、
前記改質器が、前記炭化水素系燃料を自己熱改質可能な改質触媒層を備え、
前記燃焼用燃料燃焼工程に加えて、
ａ）該改質触媒層の温度が該炭化水素系燃料の自己熱改質反応開始温度以上になったら、該改質器で該炭化水素系燃料を自己熱改質し、得られた改質ガスを前記固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを前記燃焼領域で燃焼させる工程
を有する請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記改質触媒層が前記炭化水素系燃料を部分酸化改質可能であり、
前記工程ａより前に、
ｂ）該改質触媒層の温度が該炭化水素系燃料の部分酸化改質反応開始温度以上になったら、該改質器で該炭化水素系燃料を部分酸化改質し、得られた改質ガスを該固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを該燃焼領域で燃焼させる工程
を有する請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記改質触媒層が前記炭化水素系燃料を水蒸気改質可能であり、
前記工程ａの後に、
ｃ）該改質触媒層の温度が該炭化水素系燃料の水蒸気改質反応開始温度以上になったら、該改質器で該炭化水素系燃料を水蒸気改質し、得られた改質ガスを該固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを該燃焼領域で燃焼させる工程
を有する請求項５記載の方法。
【請求項８】
前記改質触媒層が前記炭化水素系燃料を水蒸気改質可能であり、
前記工程ａの後に、
ｃ）該改質触媒層の温度が該炭化水素系燃料の水蒸気改質反応開始温度以上になったら、該改質器で該炭化水素系燃料を水蒸気改質し、得られた改質ガスを該固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを該燃焼領域で燃焼させる工程
を有する請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記工程ａにおいて、前記燃焼用燃料の前記燃焼領域への供給量を減少させる工程を有する
請求項５記載の方法。
【請求項１０】
前記工程ａおよびｂの少なくとも一つの工程において、前記燃焼用燃料の前記燃焼領域への供給量を減少させる工程を有する
請求項６記載の方法。
【請求項１１】
前記工程ａおよびｃの少なくとも一つの工程おいて、前記燃焼用燃料の前記燃焼領域への供給量を減少させる工程を有する
請求項７記載の方法。
【請求項１２】
前記工程ｂ、ａおよびｃの少なくとも一つの工程において、前記燃焼用燃料の前記燃焼領域への供給量を減少させる工程を有する
請求項８記載の方法。
【請求項１３】
該固体酸化物形燃料電池で発電を行っている状態から、前記間接内部改質型固体酸化物形燃料電池を停止させる際の運転方法であって、
ｉ）該固体酸化物型燃料電池の発電を停止させ、かつ、前記改質器に供給されている炭化水素系燃料量を減らして相対的に少流量の炭化水素系燃料を改質器に供給し、もって該固体酸化物型燃料電池に供給する改質ガス量を減らして該燃焼領域でのアノードオフガスの燃焼量を減らし、間接内部改質型固体酸化物形燃料電池を降温する工程、および、
ｉｉ）該固体酸化物型燃料電池が改質ガスを必要としない温度まで降温した後、該改質器に供給されている炭化水素系燃料の供給を停止する工程
をこの順に有し、
該工程ｉにおいて、前記燃焼用燃料燃焼工程を有する
請求項４記載の方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は改質器を燃料電池近傍に有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ。以下場合によりＳＯＦＣという。）には、通常、改質器において灯油や都市ガスなどの炭化水素系燃料（改質原料）を改質して発生させた水素含有ガス（改質ガス）が供給される。ＳＯＦＣにおいて、この改質ガスと空気を電気化学的に反応させて発電を行う。ＳＯＦＣは通常５５０℃〜１０００℃程度の高温で作動させる。
【０００３】
改質には、水蒸気改質、部分酸化改質など種々の反応が利用される。いずれもある一定以上の温度を必要とする。そのため、ＳＯＦＣの近傍（ＳＯＦＣからの熱輻射を受ける位置）に改質器を設置し、ＳＯＦＣからの輻射熱によって改質器を加熱する間接内部改質型ＳＯＦＣが開発されている（特許文献１参照）。また、間接内部改質型ＳＯＦＣにおいて、可燃分を含有するアノードオフガス（ＳＯＦＣのアノードから排出されるガス）を間接内部改質型ＳＯＦＣの筐体（モジュール容器）内で燃焼させ、この燃焼熱を熱源として改質器を加熱することが行われている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−３５８９９７号公報
【特許文献２】特開２００４−３１９４２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このように、間接内部改質型ＳＯＦＣでは、ＳＯＦＣを熱源として改質器を加熱する。
【０００５】
しかし、間接内部改質型ＳＯＦＣの起動時においては、ＳＯＦＣの熱が期待できないため、ＳＯＦＣ以外の手段により改質触媒が活性を発現する温度まで触媒を昇温することが求められる。改質器を昇温するために、部分酸化改質反応あるいは自己熱改質反応といった発熱をともなう改質反応を改質器にて行い、改質ガスをＳＯＦＣに供給し、アノードオフガスを燃焼させることが考えられる。しかし、部分酸化改質反応や自己熱改質反応で生成した改質ガスは、窒素、二酸化炭素、水蒸気といった熱容量が大きい非燃焼成分を含む。このため、改質ガスを燃焼領域で燃焼させても所望の温度が得られない、あるいは燃焼領域で燃焼を維持できない場合がある。
【０００６】
また、間接内部改質型ＳＯＦＣでは通常運転時（定格運転時または部分負荷運転時）には改質に要する熱をＳＯＦＣの排熱によってまかなうことが可能とされるが、負荷変動や外乱があった場合に、改質器の温度が低下する可能性がある。このような場合に、未改質成分が改質器下流のＳＯＦＣに達し、ＳＯＦＣに悪影響が及ぶ可能性もある。特に、灯油のような高次炭化水素を用いる場合、改質器から高次炭化水素がリークすると、炭素析出によってＳＯＦＣの性能が劣化することがある。
【０００７】
さらに、間接内部改質型ＳＯＦＣの停止時には、ＳＯＦＣの酸化劣化を抑制するため、ＳＯＦＣが所定温度になるまで還元ガス（水素を含む改質ガス）をＳＯＦＣに供給し、ＳＯＦＣの温度を下げることが望まれる。このとき、未改質の燃料を含まない改質ガスを発生させるために、改質器への所定量の熱供給を維持することが望まれる。一方、ＳＯＦＣを効果的に冷却するためには、比較的高温となる改質ガスの供給量を減少させることが望まれる。つまり、改質ガスの量を絞りつつも確実に改質することが望まれ、このような際に改質器の加熱を良好に行えなくなるおそれがある。
【０００８】
このように、過渡的な状態において、改質器の加熱が不足し、その結果改質器の昇温が良好に行えなくなったり確実な改質が行えなくなったりする場合がある。
【０００９】
本発明の目的は、改質器の加熱不足を防止することが容易な間接内部改質型ＳＯＦＣおよびその運転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明により、次の間接内部改質型固体酸化物形燃料電池とその運転方法が提供される。
【００１１】
（１）
炭化水素系燃料から改質ガスを製造する改質器と、
該改質器で得られる改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、
該固体酸化物燃料電池から排出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼領域と、
該改質器、固体酸化物形燃料電池および燃焼領域を収容する筐体と、を有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池であって、
該改質器を経ずに該燃焼領域に燃焼用燃料を供給可能な燃焼用燃料供給手段を有し、
該改質器が該燃焼領域で発生する燃焼熱を受熱可能な位置に配され、かつ、
前記燃焼用燃料に水または水蒸気を予混合するための水予混合手段を有する
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。 
【００１２】
（２）
前記燃焼用燃料に酸素含有ガスを予混合するための酸素含有ガス予混合手段を有する（１）に記載の間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。
【００１４】
（３）
前記燃焼用燃料供給手段が、前記炭化水素系燃料とは異なる種類の炭化水素系燃料を燃焼用燃料として前記燃焼領域に供給可能である（１）または（２）に記載の間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。
【００１５】
（４）
炭化水素系燃料から改質ガスを製造する改質器と、
該改質器で得られる改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、
該固体酸化物燃料電池から排出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼領域と、
該改質器、固体酸化物形燃料電池および燃焼領域を収容する筐体と、を有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の運転方法であって、
該間接内部改質型固体酸化物形燃料電池が、該燃焼領域に改質器を経ずに燃焼用燃料を供給可能な燃焼用燃料供給手段を有し、かつ、前記燃焼用燃料に水または水蒸気を予混合するための水予混合手段を有し、
該改質器が該燃焼領域で発生する燃焼熱を受熱可能な位置に配されており、
該燃焼用燃料供給手段によって燃焼領域に改質器を経ずに燃焼用燃料を供給し、該燃焼領域において該燃焼用燃料を燃焼させる燃焼用燃料燃焼工程
を有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の運転方法。
【００１６】
（５）
前記間接内部改質型固体酸化物形燃料電池を起動する際の運転方法であって、
前記改質器が、前記炭化水素系燃料を自己熱改質可能な改質触媒層を備え、
前記燃焼用燃料燃焼工程に加えて、
ａ）該改質触媒層の温度が該炭化水素系燃料の自己熱改質反応開始温度以上になったら、該改質器で該炭化水素系燃料を自己熱改質し、得られた改質ガスを前記固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを前記燃焼領域で燃焼させる工程
を有する（４）記載の方法。
【００１７】
（６）
前記改質触媒層が前記炭化水素系燃料を部分酸化改質可能であり、
前記工程ａより前に、
ｂ）該改質触媒層の温度が該炭化水素系燃料の部分酸化改質反応開始温度以上になったら、該改質器で該炭化水素系燃料を部分酸化改質し、得られた改質ガスを該固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを該燃焼領域で燃焼させる工程
を有する（５）記載の方法。
【００１８】
（７）
前記改質触媒層が前記炭化水素系燃料を水蒸気改質可能であり、
前記工程ａの後に、
ｃ）該改質触媒層の温度が該炭化水素系燃料の水蒸気改質反応開始温度以上になったら、該改質器で該炭化水素系燃料を水蒸気改質し、得られた改質ガスを該固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを該燃焼領域で燃焼させる工程
を有する（５）記載の方法。
【００１９】
（８）
前記改質触媒層が前記炭化水素系燃料を水蒸気改質可能であり、
前記工程ａの後に、
ｃ）該改質触媒層の温度が該炭化水素系燃料の水蒸気改質反応開始温度以上になったら、該改質器で該炭化水素系燃料を水蒸気改質し、得られた改質ガスを該固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを該燃焼領域で燃焼させる工程
を有する（６）記載の方法。
【００２０】
（９）
前記工程ａにおいて、前記燃焼用燃料の前記燃焼領域への供給量を減少させる工程を有する
（５）記載の方法。
【００２１】
（１０）
前記工程ａおよびｂの少なくとも一つの工程において、前記燃焼用燃料の前記燃焼領域への供給量を減少させる工程を有する
（６）記載の方法。
【００２２】
（１１）
前記工程ａおよびｃの少なくとも一つの工程おいて、前記燃焼用燃料の前記燃焼領域への供給量を減少させる工程を有する
（７）記載の方法。
【００２３】
（１２）
前記工程ｂ、ａおよびｃの少なくとも一つの工程において、前記燃焼用燃料の前記燃焼領域への供給量を減少させる工程を有する
（８）記載の方法。
【００２４】
（１３）
該固体酸化物形燃料電池で発電を行っている状態から、前記間接内部改質型固体酸化物形燃料電池を停止させる際の運転方法であって、
ｉ）該固体酸化物型燃料電池の発電を停止させ、かつ、前記改質器に供給されている炭化水素系燃料量を減らして相対的に少流量の炭化水素系燃料を改質器に供給し、もって該固体酸化物型燃料電池に供給する改質ガス量を減らして該燃焼領域でのアノードオフガスの燃焼量を減らし、間接内部改質型固体酸化物形燃料電池を降温する工程、および、
ｉｉ）該固体酸化物型燃料電池が改質ガスを必要としない温度まで降温した後、該改質器に供給されている炭化水素系燃料の供給を停止する工程
をこの順に有し、
該工程ｉにおいて、前記燃焼用燃料燃焼工程を有する
（４）記載の方法。
【発明の効果】
【００２５】
本発明により、改質器の加熱不足を防止することが容易な間接内部改質型ＳＯＦＣおよびその運転方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を用いて本発明の形態について説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
【００２７】
〔間接内部改質型ＳＯＦＣ〕
図１に、本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣの一形態を模式的に示す。
【００２８】
間接内部改質型ＳＯＦＣは、炭化水素系燃料から改質ガスを製造する改質器２を有し、改質器２で得られる改質ガスを用いて発電するＳＯＦＣ１を有し、そしてＳＯＦＣ１から排出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼領域５を有する。これら改質器、ＳＯＦＣおよび燃焼領域は筐体６に収容される。間接内部改質型ＳＯＦＣは、さらに、改質器２を経ずに燃焼領域５に燃焼用燃料を供給可能な燃焼用燃料供給手段４を有する。改質器２は燃焼領域５で発生する燃焼熱を受熱可能な位置に配される。また、改質の原料となる炭化水素系燃料を改質器に供給するための炭化水素系燃料供給手段３が備わる。
【００２９】
炭化水素系燃料供給手段３から、炭化水素系燃料が改質器２に供給される。このとき、必要に応じて酸素含有ガスや水蒸気も改質器に供給される。改質器から得られる改質ガスが、ＳＯＦＣ１のアノードに供給される。アノードから排出されるアノードオフガスは、燃焼領域５で燃焼可能である。
【００３０】
図１に示した形態では、燃焼用燃料供給手段４から供給される燃焼用燃料は、改質器２下流の改質ガスが流れるライン（改質器とＳＯＦＣアノードとを結ぶライン）に導入され、ＳＯＦＣ１のアノードに供給される。このとき、必要に応じて酸素含有ガスや水蒸気を燃焼用燃料に予混合することができる。
【００３１】
燃焼用燃料および改質ガスの一方のみをアノードに供給することもでき、これらの両方をアノードに供給することもできる。
【００３２】
ＳＯＦＣに燃焼用燃料を直接（改質せずに）供給してもよい場合に、この形態が好適である。例えば、燃焼用燃料として、メタンや一酸化炭素等のＣ１化合物（炭素数１の化合物）を用いる場合に好適である。
【００３３】
図２に、本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣの別の形態を模式的に示す。図１に示した形態では燃焼用燃料がＳＯＦＣ（特にはそのアノード）を経て燃焼領域に供給されるが、図２に示した形態では、燃焼用燃料がＳＯＦＣ１を経ずに燃焼領域５に供給される。この形態は、ＳＯＦＣに燃焼用燃料を直接（改質せずに）供給することを避ける場合に好適である。例えば、灯油を燃焼用燃料として用いる場合に好適である。
【００３４】
図３に、本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣのさらに別の形態を模式的に示す。この形態では、燃焼用燃料をＳＯＦＣ１（特にはそのアノード）を経て燃焼領域５に供給するラインと、燃焼用燃料をＳＯＦＣ１を経ずに燃焼領域５に供給するラインとの両方が設けられる。この形態は、ＳＯＦＣ１の温度上、燃焼用燃料を直接（改質せずに）ＳＯＦＣ１に供給してよい場合と避けなければいけない場合に区別して運転する場合に好適である。
【００３５】
図４に、本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣのさらに別の形態を模式的に示す。図１に示した形態では改質ガスと燃焼用燃料とを混合してＳＯＦＣに供給するが、この形態では改質ガスと燃焼用燃料とを混合せずにＳＯＦＣに供給する。改質ガスをＳＯＦＣに供給するラインとは別に、燃焼用燃料供給手段４から燃焼用燃料をＳＯＦＣに供給するラインが設けられている。この形態は、一部のセルに選択的にガス量を調整して供給したい場合に好適である。
【００３６】
図５に、本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣのさらに別の形態を模式的に示す。この形態は、図４に示した形態に、燃焼用燃料をＳＯＦＣ１を経ずに燃焼領域５に供給するラインを追加した構成を有する。この形態は、ＳＯＦＣ１の温度上、燃焼用燃料を直接（改質せずに）供給してよい場合と避けなければいけない場合に区別して運転する場合に、かつ一部のセルに選択的にガス量を調整して供給したい場合に好適である。
【００３７】
〔酸素含有ガス予混合手段〕
本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣは、燃焼用燃料に酸素含有ガスを予混合するための酸素含有ガス予混合手段を有することができる。
【００３８】
酸素含有ガス予混合手段は、燃焼用燃料に酸素含有ガスを予混合可能な適宜の構成を有することができる。例えば、空気ブロワと適宜の配管やバルブを用い、燃焼用燃料が流れるラインに、空気を供給可能な構成を形成することができる。
【００３９】
酸素含有ガス予混合手段を設けることにより、燃焼領域での燃焼性が容易になるメリットがある。
【００４０】
〔酸素含有ガス〕
燃焼用燃料に予混合される酸素含有ガス、また必要に応じて改質器に供給される酸素含有ガスとしては、空気や酸素ガスなど酸素を含有するガスを適宜用いることができるが、入手容易性から空気（大気）を用いることが好ましい。
【００４１】
〔水予混合手段〕
本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣは、燃焼用燃料に水または水蒸気を予混合するための水予混合手段を有することができる。
【００４２】
水予混合手段は、燃焼用燃料に水を予混合可能な適宜の構成、もしくは、燃焼用燃料に水蒸気を予混合可能な適宜の構成を有することができる。例えば、水ポンプと適宜の配管やバルブを用い、燃焼用燃料が流れるラインに水を供給可能な構成を有することができる。また、水ポンプ、蒸気発生器および適宜の配管やバルブを用い、燃焼用燃料が流れるラインに水蒸気を供給可能な構成を形成することができる。水もしくは水蒸気を燃焼用燃料に予混合できる手段を有した場合、ＳＯＦＣに燃焼用燃料を直接供給した場合に、燃料がコーキングし、ＳＯＦＣに不具合を起こさせるリスクを軽減できるメリットがある。
【００４３】
〔燃焼用燃料および燃焼用燃料供給手段〕
燃焼用燃料供給手段は、改質器を経ずに該燃焼領域に燃焼用燃料を供給可能な適宜の構成を有することができる。例えば、燃焼用燃料が気体である場合は、ブロワと適宜の配管やバルブを用い、燃料ガスを燃焼領域に供給可能な構成を有することができる。燃焼用燃料が液体である場合は、ポンプと適宜の配管やバルブを用い、また、燃料噴射ノズルを用いて、燃焼領域に燃料を供給可能な構成を形成することができる。あるいは、ポンプ、気化器、および適宜の配管やバルブを用い、燃焼用燃料を気化したうえで燃焼領域に供給可能な構成を形成することができる。
【００４４】
燃焼用燃料としては、燃焼領域で燃焼可能な燃料を適宜使用することができる。
【００４５】
改質原料として用いる炭化水素系燃料とは異なる種類の炭化水素系燃料を燃焼用燃料として用いることができる。例えば、灯油を改質原料として改質器に供給する一方、メタンを燃焼用燃料として燃焼領域に供給することができる。この場合に用いる燃焼用燃料供給手段は、改質原料として用いる炭化水素系燃料とは異なる種類の炭化水素系燃料を燃焼用燃料として燃焼領域に供給可能である。
【００４６】
また、改質原料と同じ種類の炭化水素系燃料を燃焼用燃料として用いることができる。例えば、メタンを改質原料として改質器に供給し、かつ、メタンを燃焼用燃料として燃焼領域に供給することができる。このために、燃焼用燃料供給手段が、改質原料として用いる炭化水素系燃料と同じ種類の炭化水素系燃料を燃焼用燃料として燃焼領域に供給可能であることができる。
【００４７】
燃焼用燃料は、必要に応じて気化させたうえで燃焼領域に供給することができる。燃焼用燃料をＳＯＦＣを経て燃焼領域に供給する場合、必要に応じて燃焼用燃料を気化させたうえでＳＯＦＣに導入することができる。
【００４８】
燃焼用燃料をＳＯＦＣを経て燃焼領域に供給する場合など、必要に応じて燃焼用燃料を脱硫したうえでＳＯＦＣに導入することができる。
【００４９】
〔炭化水素系燃料〕
炭化水素系燃料としては、改質ガスの原料としてＳＯＦＣの分野で公知の、分子中に炭素と水素を含む（酸素など他の元素を含んでもよい）化合物もしくはその混合物から適宜選んで用いることができ、炭化水素類、アルコール類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等の炭化水素燃料、また、メタノール、エタノール等のアルコール、ジメチルエーテル等のエーテル等である。
【００５０】
なかでも灯油やＬＰＧは、入手容易であり好ましい。また独立して貯蔵可能であるため、都市ガスのラインが普及していない地域において有用である。さらに、灯油やＬＰＧを利用したＳＯＦＣ発電装置は、非常用電源として有用である。特には、取り扱いも容易である点で、灯油が好ましい。
【００５１】
改質原料として用いる炭化水素系燃料は、必要に応じて脱硫したうえで改質器に供給することができる。
【００５２】
〔改質器〕
改質器は、炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを製造する。
【００５３】
改質器は、一般に公知な改質能（水蒸気改質能、部分酸化改質能または自己熱改質能）を有する公知な非貴金属もしくは貴金属改質触媒を備えることができる。
【００５４】
改質器の構造は、改質器として公知の構造を適宜採用できる。例えば、密閉可能な容器内に改質触媒を収容する領域を有し、改質に必要な流体の導入口と改質ガスの排出口を有する構造とすることができる。
【００５５】
改質器の材質は、改質器として公知の材質から、使用環境における耐性を考慮して適宜選んで採用できる。
【００５６】
改質器の形状は、直方体状や円管状など適宜の形状とすることができる。
【００５７】
炭化水素系燃料（必要に応じて予め気化される）および必要に応じて用いられる空気等の酸素含有ガスや水蒸気をそれぞれ単独で、もしくは適宜混合した上で改質器（改質触媒層）に供給することができる。また、改質ガスはＳＯＦＣのアノードに供給される。
【００５８】
〔ＳＯＦＣ〕
改質器から得られる改質ガスが、ＳＯＦＣのアノードに供給される。一方、ＳＯＦＣのカソードには空気などの酸素含有ガスが供給される。発電に伴いＳＯＦＣが発熱し、その熱がＳＯＦＣから改質器へと、輻射伝熱などにより伝わる。こうしてＳＯＦＣ排熱が改質器を加熱するために利用される。ガスの取り合い等は適宜配管等を用いて行う。
【００５９】
ＳＯＦＣとしては、公知のＳＯＦＣを適宜選んで採用できる。ＳＯＦＣでは、一般的に、酸素イオン導電性セラミックスもしくはプロトンイオン導電性セラミックスが電解質として利用される。
【００６０】
ＳＯＦＣは単セルであってもよいが実用上は複数の単セルを配列させたバンドルもしくはスタックが好ましく用いられる。この場合、バンドルもしくはスタックは１つでも複数でもよい。
【００６１】
ＳＯＦＣの形状も、立方体状スタックに限らず、適宜の形状を採用できる。
【００６２】
〔筐体〕
筐体としては、改質器、ＳＯＦＣおよび燃焼領域を収容可能な適宜の容器を用いることができる。その材料としては、例えばステンレス鋼など、使用する環境に耐性を有する適宜の材料を用いることができる。筐体には、ガスの取り合い等のために、適宜接続口が設けられる。筐体の内部と外界（大気）とが連通しないように、筐体が気密性を持つことが好ましい。
【００６３】
〔燃焼領域〕
燃焼領域は、ＳＯＦＣ（特にはそのアノード）から排出されるアノードオフガスを燃焼可能な領域である。例えば、アノード出口を筐体内に開放し、アノード出口近傍の空間を燃焼領域とすることができる。本発明では、この燃焼領域に燃焼用燃料を供給して燃焼させる。
【００６４】
燃焼用燃料もしくはアノードオフガスを燃焼させるために、イグナイターなどの着火手段を適宜用いることができる。
【００６５】
〔改質器およびＳＯＦＣの配置〕
間接内部改質型ＳＯＦＣでは、改質器がＳＯＦＣから受熱可能な位置に配置する。このために、改質器をＳＯＦＣから熱輻射を受ける位置に配置することができる。このとき、ＳＯＦＣと改質器の間に遮蔽物を配置しないことが好ましい。つまり、ＳＯＦＣと改質器とが、遮蔽物を挟むことなく対向することが好ましい。ただし、必要な配管等は適宜配置される。
【００６６】
本発明では、改質器が、燃焼領域で発生する燃焼熱を受熱可能な位置に配される。
【００６７】
〔他の機器〕
間接内部改質型ＳＯＦＣの公知の構成要素は、必要に応じて適宜設けることができる。具体例を挙げれば、液体を気化させる気化器、各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの昇圧手段、流体の流量を調節するため、あるいは流体の流れを遮断／切り替えるためのバルブ等の流量調節手段や流路遮断／切り替え手段、熱交換・熱回収を行うための熱交換器、気体を凝縮する凝縮器、スチームなどで各種機器を外熱する加熱／保温手段、炭化水素系燃料（改質原料）や燃焼用燃料の貯蔵手段、計装用の空気や電気系統、制御用の信号系統、制御装置、出力用や動力用の電気系統、燃料中の硫黄分濃度を低減する脱硫器などである。
【００６８】
〔間接内部改質型ＳＯＦＣの運転方法〕
本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣの運転方法は、燃焼用燃料供給手段によって燃焼領域に改質器を経ずに燃焼用燃料を供給し、燃焼領域において燃焼用燃料を燃焼させる燃焼用燃料燃焼工程を有する。
【００６９】
燃焼用燃料燃焼工程は、例えば、間接型内部改質型ＳＯＦＣの起動の際、停止の際、負荷変動があった際、および外乱があった際に行うことが効果的である。
【００７０】
〔起動運転〕
起動の際の運転方法について説明する。改質器としては、前記炭化水素系燃料を自己熱改質可能な改質触媒層を備える改質器を用いる。
【００７１】
起動運転においては、大別して二つの形態がある。
【００７２】
一つ目の形態ではまず、燃焼用燃料燃焼工程を行う。つまり、燃焼用燃料供給手段によって燃焼領域に改質器を経ずに燃焼用燃料を供給し、燃焼領域において燃焼用燃料を燃焼させる。改質器は燃焼領域で発生する燃焼熱を受熱可能な位置に配されているので、燃焼領域で発生した燃焼熱によって改質器が加熱され、改質器が昇温される。このとき燃焼領域で発生する燃焼熱によってＳＯＦＣを加熱することもできる。
【００７３】
そして、工程ａを行う。すなわち、改質触媒層の温度が、炭化水素系燃料（改質原料）の自己熱改質反応開始温度以上になったら、改質器で炭化水素系燃料（改質原料）を自己熱改質し、得られた改質ガスをＳＯＦＣに導入し、アノードオフガスを燃焼領域で燃焼させる。
【００７４】
炭化水素系燃料（改質原料）に加えて自己熱改質に必要な水蒸気や酸素含有ガス（空気や酸素ガスなど）は適宜改質器に供給する。
【００７５】
工程ａにおいては、自己熱改質による発熱と燃焼領域で発生する燃焼熱により、改質器が加熱される。
【００７６】
ＳＯＦＣには比較的高温の改質ガスが供給されるので、ＳＯＦＣも加熱される。加えて、燃焼領域で発生する燃焼熱によってＳＯＦＣを加熱することもできる。
【００７７】
自己熱改質では、水蒸気改質反応と部分酸化改質反応との両方を行うが、改質器の昇温のために、オーバーオールで発熱になるように（部分酸化改質による発熱量と燃焼室でのアノードオフガス、燃焼用燃料の発熱量が、水蒸気改質による吸熱量を上回るように）する。
【００７８】
改質触媒層が、炭化水素系燃料（改質原料）を部分酸化改質することもできる場合、工程ａより前に、工程ｂを行うこともできる。すなわち、改質触媒層の温度が炭化水素系燃料（改質原料）の部分酸化改質反応開始温度以上になったら、改質器で炭化水素系燃料（改質原料）を部分酸化改質し、得られた改質ガスをＳＯＦＣに導入し、アノードオフガスを燃焼領域で燃焼させる。
【００７９】
炭化水素系燃料（改質原料）に加えて部分酸化改質に必要な酸素含有ガス（空気や酸素ガスなど）は適宜改質器に供給する。
【００８０】
工程ｂにおいては、部分酸化改質による発熱と燃焼領域で発生する燃焼熱により、改質器が加熱される。
【００８１】
ＳＯＦＣには比較的高温の改質ガスが供給されるので、ＳＯＦＣも加熱される。加えて、燃焼領域で発生する燃焼熱によってＳＯＦＣを加熱することもできる。
【００８２】
一般的に、部分酸化改質反応開始温度の方が、自己熱改質反応開始温度より低温であり、また部分酸化改質は吸熱反応を伴わないので、工程ｂを行うことは起動時間短縮のために好ましい。
【００８３】
改質触媒層が、炭化水素系燃料（改質原料）を水蒸気改質することも可能である場合には、工程ａの後に工程ｃを行うこともできる。すなわち、改質触媒層の温度が炭化水素系燃料（改質原料）の水蒸気改質反応開始温度以上になったら、改質器で炭化水素系燃料を水蒸気改質し、得られた改質ガスを固体酸化物形燃料電池に導入し、アノードオフガスを燃焼領域で燃焼させる。
【００８４】
炭化水素系燃料（改質原料）に加えて水蒸気改質に必要な水蒸気は適宜改質器に供給する。工程ａでは自己熱改質を行っており、従って水蒸気と酸素含有ガスが改質器に供給されている。よって、酸素含有ガスの供給を停止することによって工程ａから工程ｃに移行することができる。
【００８５】
工程ｃにおいては、燃焼領域で発生する燃焼熱により、改質器が加熱される。ＳＯＦＣには比較的高温の改質ガスが供給されるので、ＳＯＦＣも加熱される。加えて、燃焼領域で発生する燃焼熱によってＳＯＦＣを加熱することもできる。
【００８６】
水蒸気改質は、改質ガス中の水素濃度を高めやすい改質方法である。よって、工程ｃによって、改質ガス中の水素濃度を高めておくことが容易である。このうえでＳＯＦＣにて発電を行えば発電効率の点で有利である。
【００８７】
燃焼用燃料燃焼工程の後、燃焼領域への燃焼用燃料の供給量を、適宜の段階で減少させる（ゼロにすることを含む）ことができる。つまり、燃焼用燃料の燃焼熱を減少させても間接内部改質型ＳＯＦＣを起動できる（改質器およびＳＯＦＣを所定の温度まで昇温できる）ようになった段階で、燃焼用燃料の供給量を減少させることができる。
【００８８】
例えば、燃焼用燃料燃焼工程の後、工程ａのみを行う場合は、工程ａにおいて、燃焼用燃料供給量を減少させることができる。燃焼用燃料燃焼工程の後、工程ｂおよびａを行う場合は、工程ｂおよびａの少なくとも一つの工程において、燃焼用燃料供給量を減少させることができる。燃焼用燃料燃焼工程の後、工程ａおよびｃを行う場合（工程ｂは行わない）は、工程ａおよびｃの少なくとも一つの工程において、燃焼用燃料供給量を減少させることができる。燃焼用燃料燃焼工程の後、工程ｂ、ａおよびｃを行う場合は、工程ｂ、ａおよびｃの少なくとも一つの工程において、燃焼用燃料供給量を減少させることができる。
【００８９】
二つ目の形態においては、まず改質触媒層を加熱して昇温する。この加熱のために、電気ヒーターなどの加熱手段を用いることができる。また、改質原料がガス体の場合、改質器およびＳＯＦＣを経て改質原料を燃焼領域に供給し、燃焼領域で改質原料を燃焼させ、その燃焼熱をこの加熱のために用いることができる。
【００９０】
そして、工程ａを行う。つまり、改質触媒が自己熱改質反応が可能な温度以上になったら、改質器で炭化水素系燃料（改質原料）を自己熱改質し、得られた改質ガスをＳＯＦＣに導入し、アノードオフガスを燃焼領域で燃焼させる。
【００９１】
炭化水素系燃料（改質原料）に加えて自己熱改質に必要な水蒸気や酸素含有ガス（空気や酸素ガスなど）は適宜改質器に供給する。
【００９２】
燃焼用燃料燃焼工程は、工程ａにおいて、アノードオフガス単独で燃焼領域で燃焼を維持させることが困難な際の燃焼補助燃料として、燃焼領域に燃焼用燃料を導入する形で行う。
【００９３】
工程ａにおいては、自己熱改質による発熱と燃焼領域で発生する燃焼熱により、改質器が加熱される。
【００９４】
改質触媒層が、炭化水素系燃料（改質原料）を部分酸化改質することもできる場合、工程ａより前に、工程ｂを行うこともできる。すなわち、改質触媒層の温度が炭化水素系燃料（改質原料）の部分酸化改質反応開始温度以上になったら、改質器で炭化水素系燃料（改質原料）を部分酸化改質し、得られた改質ガスをＳＯＦＣに導入し、アノードオフガスを燃焼領域で燃焼させる。
【００９５】
炭化水素系燃料（改質原料）に加えて部分酸化改質に必要な酸素含有ガス（空気や酸素ガスなど）は適宜改質器に供給する。
【００９６】
燃焼用燃料燃焼工程は工程aもしくはｂにおいて、アノードオフガス単独で燃焼領域で燃焼を維持させることが困難な際の燃焼補助燃料として、燃焼領域に燃焼用燃料を導入する形で行う。
【００９７】
工程ｂにおいては、部分酸化改質による発熱と燃焼領域で発生する燃焼熱により、改質器が加熱される。
【００９８】
ＳＯＦＣには比較的高温の改質ガスが供給されるので、ＳＯＦＣも加熱される。加えて、燃焼領域で発生する燃焼熱によってＳＯＦＣを加熱することもできる。
【００９９】
改質触媒層が、炭化水素系燃料（改質原料）を水蒸気改質することも可能である場合には、工程ａの後に工程ｃを行うこともでき、その手順は起動運転の一つ目の形態と同じである。
【０１００】
また起動運転の一つ目の形態と同様に燃焼用燃料燃焼工程の後、燃焼領域への燃焼用燃料の供給量を、適宜の段階で減少させる（ゼロにすることを含む）ことができる。つまり、燃焼用燃料の燃焼熱を減少させても間接内部改質型ＳＯＦＣを起動できる（改質器およびＳＯＦＣを所定の温度まで昇温できる）ようになった段階で、燃焼用燃料の供給量を減少させることができる。
【０１０１】
本発明では、燃焼用燃料を改質せずに燃焼領域に導入し燃焼させることで、起動時のシステム冷機状態から、改質器を効果的に短時間で昇温できる。
【０１０２】
〔停止運転〕
次に、停止の際の運転方法、すなわち、ＳＯＦＣで発電を行っている状態から、間接内部改質型ＳＯＦＣを停止させる際の運転方法について説明する。
【０１０３】
停止運転では、工程ｉおよびｉｉをこの順に行い、工程ｉにおいて、燃焼用燃料燃焼工程を行う。
ｉ）固体酸化物型燃料電池の発電を停止させ、かつ、改質器に供給されている炭化水素系燃料量を減らして相対的に少流量の炭化水素系燃料を改質器に供給し、もって固体酸化物型燃料電池に供給する改質ガス量を減らして燃焼領域でのアノードオフガスの燃焼量を減らし、間接内部改質型固体酸化物形燃料電池を降温する工程。
ｉｉ）固体酸化物型燃料電池が改質ガスを必要としない温度まで降温した後、改質器に供給されている炭化水素系燃料の供給を停止する工程。
【０１０４】
工程ｉでは、ＳＯＦＣの発電を停止させ、かつ、改質器に供給されている炭化水素系燃料（改質原料）量を減らして相対的に少流量の炭化水素系燃料を改質器に供給する。つまり、停止運転開始時における改質器への炭化水素系燃料供給量より少ない流量（ゼロではない）の炭化水素系燃料を改質器に供給する。これにより、ＳＯＦＣに供給する改質ガス量を減らし（ゼロにはしない）、燃焼領域でのアノードオフガスの燃焼量を減らし（ゼロにはしない）、間接内部改質型ＳＯＦＣを降温する。
【０１０５】
工程ｉにおいて、ＳＯＦＣの酸化劣化を防止するために、相対的に少流量の炭化水素系燃料を改質器に供給し、改質器において改質を行って還元性ガスである改質ガスを製造する。そして、改質ガスをＳＯＦＣに供給しながら、間接内部改質型ＳＯＦＣを降温する。
【０１０６】
工程ｉにおいて、改質に必要な酸素含有ガスや水蒸気は適宜供給する。なお、工程ｉにおいては適宜の改質方法を採用することができ、水蒸気改質、自己熱改質、部分酸化改質のいずれの改質方法を採用してもよい。
【０１０７】
間接内部改質型ＳＯＦＣを降温する際、つまり工程ｉにおいて、燃焼用燃料燃焼工程を行うことにより、燃焼用燃料の燃焼熱で改質器を加熱することができ、改質の確実性を向上させることができる。従って、改質器を経ずに燃焼用燃料を燃焼領域に直接供給することで、改質器の必要熱量を維持しながら、ＳＯＦＣの冷却を効果的に行なうことができる。
【０１０８】
そして、ＳＯＦＣが改質ガスを必要としない温度まで降温したら、改質器に供給されている炭化水素系燃料の供給を停止する（工程ｉｉ）。また、この際に燃焼用燃料を供給していた場合は合わせて、燃焼用燃料の供給も停止させる。
【０１０９】
〔発電時の運転〕
また、間接内部改質型ＳＯＦＣの発電時においても、燃焼用燃料燃焼工程を行うことは有効である。例えば、負荷変動の際（発電量を増減する際）や外乱があった際であっても、燃焼用燃料燃焼工程を行うことにより、改質器の加熱を良好に行うことができる。
【０１１０】
例えば、負荷変動の際、特に負荷を増加させる際、改質器に必要となる熱量を増加させるために、次のような操作をすることが考えられる。すなわち、改質燃料の供給量を増加させ、改質器で発生させる改質ガス量を増加させ、燃料電池から排出されるアノードオフガス量を増加させ、燃焼領域での発生熱量（燃焼熱）を増加させる。しかし、このような方法では、改質燃料を増加させてから燃焼領域で発生する熱量が増加するまでの間、改質器で必要となる熱量が不足し、未分解の改質燃料がＳＯＦＣに供給されるおそれがある。負荷変動時に、燃焼用燃料燃焼工程を行うことによって、改質器の熱不足を生じさせずに、速やかに負荷を増加させることができる。燃焼用燃料燃焼工程は、増加したアノードオフガスの燃焼熱量で改質器に必要とされる熱量がまかなえる状態になった段階で停止させることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣは、例えば定置用もしくは移動体用の発電システムに、またコージェネレーションシステムに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣの一形態を説明するための模式図である。
【図２】本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣの別の形態を説明するための模式図である。
【図３】本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣの別の形態を説明するための模式図である。
【図４】本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣの別の形態を説明するための模式図である。
【図５】本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣの別の形態を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１…燃料電池
２…改質器
３…改質器への炭化水素系燃料供給手段
４…燃焼用燃料供給手段
５…燃焼領域
６…筐体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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